Лучшие частицы-катализаторы: кубы превосходят сферы

Рурский университет Бохума, 5 февраля 2023 г.

Электрокатализаторы — вещества, ускоряющие химические реакции в электрохимических ячейках. Они являются важнейшими компонентами многих технологий преобразования и хранения энергии, таких как топливные элементы, батареи и электролизеры, поскольку они повышают эффективность и стабильность этих систем.

В борьбе с изменением климата сокращение выбросов CO2 имеет решающее значение. В настоящее время широко используется серый водород, получаемый из нефти и природного газа, но предпринимаются попытки заменить его зеленым водородом, получаемым из возобновляемых источников. Зеленый водород производится посредством электролиза — процесса, при котором электричество расщепляет воду на водород и кислород. Несмотря на свой потенциал, необходимо решить несколько проблем, чтобы электролиз стал жизнеспособным вариантом.

В настоящее время процесс расщепления воды эффективен лишь в ограниченной степени, и для него недостаточно мощных, долговечных и экономичных катализаторов.

"В настоящее время наиболее активные электрокатализаторы созданы на основе редких и дорогих драгоценных металлов иридия, рутения и платины", - перечисляет Кристина Чулик. «Поэтому наша работа как исследователей заключается в разработке новых, высокоактивных электрокатализаторов, не содержащих драгоценных металлов».

Ее исследовательская группа изучает катализаторы в виде наночастиц оксидов неблагородных металлов, которые в миллион раз меньше человеческого волоса. Производимые в промышленных масштабах, они различаются по форме, размеру и химическому составу.

Кристина Чулик (слева) и Хатем Амин исследуют наночастицы в качестве катализаторов получения зеленого водорода. Фото: © РУБ, Марквард

«Мы используем измерения для изучения так называемых каталитических чернил, в которых миллиарды частиц смешаны со связующими веществами и добавками», — рассказывает Кристина Чулик. Этот метод позволяет исследователям измерять только среднюю производительность, но не активность отдельных частиц – что действительно важно.

«Если бы мы знали, какая форма частиц или грань кристалла (поверхности, направленные наружу) являются наиболее активными, мы могли бы специально создавать частицы именно такой формы», — говорит доктор Хатем Амин, постдокторант в области аналитической химии в Рурском университете в Бохуме.

Исследовательская группа разработала метод анализа отдельных частиц непосредственно в растворе. Это позволяет им сравнивать активность различных наноматериалов друг с другом, чтобы понять влияние свойств частиц, таких как их форма и состав, на расщепление воды. «Наши результаты показывают, что частицы оксида кобальта в форме отдельных кубиков более активны, чем сферы, поскольку последние всегда имеют несколько других, менее активных граней».

Экспериментальные результаты группы Бохума были подтверждены ее партнерами по сотрудничеству во главе с профессором Россицей Пентчевой из Университета Дуйсбург-Эссен в рамках Центра совместных исследований/Transregio 247. Теоретический анализ последнего указывает на изменение активных областей катализатора, а именно от кобальта. атомы, окруженные атомами кислорода, образующими октаэдр, и атомы кобальта, окруженные тетраэдром.

«Наше понимание корреляции между формой частиц и активностью закладывает основу для основанного на знаниях проектирования жизнеспособных каталитических материалов и, следовательно, для трансформации нашей ископаемой энергетической и химической промышленности в сторону экономики замкнутого цикла, основанной на возобновляемых источниках энергии и высокоактивном , долговременные катализаторы», — заключает Кристина Чулик.

Ссылка: «Фасетно-зависимая собственная активность одиночных наночастиц Co3O4 для реакции выделения кислорода (Adv. Funct. Mater. 1/2023)» Жибин Лю, Хатем М.А. Амин, Юман Пэн, Мануэль Корва, Россица Пентчева и Кристина Чулик, 3 января 2023, Advanced Functional Materials. DOI: 10.1002/adfm.202370006.